Aparato receptor láser basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido,

para la recepción de haces láser modulados en formato binario, con un fotodiodo de avalancha (2) que se encuentra sometido a tres lazos de control regulados por un microcontrolador (48):

- un lazo de control térmico encargado de mantener estable la temperatura del fotodiodo de avalancha (2);

- un lazo de control de sensibilidad del fotodiodo encargado de mantener estable la fotosensibilidad del fotodiodo de avalancha (2);

- un lazo de control de ganancia RMS encargado de controlar la ganancia y mantener la estabilidad de la señal proveniente del fotodiodo de avalancha (2).

Aplicable para comunicaciones ópticas por láser.

Aparato receptor láser basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido Campo de la invención La invención presentada, se enmarca en el campo de la industria electrónica de las comunicaciones ópticas de alta velocidad mediante demoduladores de haces luminosos basados en fotodiodos de avalancha.

Antecedentes de la invención Un fotodiodo de avalancha o diodo APD (del inglés "Avalanche PhotoDiode") , es un dispositivo de estado sólido que aprovecha el mecanismo de multiplicación por avalancha para conseguir sensibilidades muy superiores (de 1 00 a 200 veces mayor) , a las que muestran los fotodiodos de silicio convencionales. Para conseguir activar los mecanismos de avalancha, es necesario polarizarlo con altas tensiones entre los 50 y los 200 voltios. La sensibilidad de un fotodiodo de avalancha (mayor de 50A/W) , permite detectar señales luminosas de muy baja potencia radiante por lo que estos dispositivos se presentan como buenos candidatos para el procesamiento de señales láser moduladas de baja energía.

Un haz láser modulado se propaga por una fibra óptica o por el espacio libre atenuándose por dispersión. Así, un receptor remoto recibe sólo una porción de la energía transmitida. La dispersión de un láser en la atmósfera es mucho mayor cuando aparecen elementos en suspensión tales como el agua. Con una niebla densa, se producen atenuaciones superiores a los 40dB/km y la potencia recibida puede dividirse por factores de 100 o superiores.

Los fotodiodos de avalancha tienen un gran rango dinámico en la detección de niveles luminosos. Es posible barrer varias décadas (potencias radiantes por ejemplo desde los nanowatios a los miliwatios) sin que se presenten fenómenos de saturación. Para hacer mediciones precisas en la potencia radiante detectada es necesario recurrir a amplificadores logarítmicos.

Los fotodiodos de avalancha de silicio actuales permiten una gran respuesta en frecuencia (varios gigahertzios) , siendo su capacidad total inferior al picofaradio. Las áreas activas a exponer a la luz se reducen a medida que aumenta la respuesta en frecuencia. Se debe disponer de mecanismos ópticos de focalización que permitan la captación máxima de energía en esas áreas.

El procesamiento de la corriente producida por un fotodiodo de avalancha se realiza con amplificadores a transimpedancia en los que se transforma la corriente generada en tensión. Existen amplificadores integrados que poseen muy altos productos ganancia-ancho de banda que permiten implementar grandes factores de transimpedancia en una sola etapa con tensiones de ruido de entrada menores de un nV/Hz112.

Un haz láser viajando por el espacio libre no sólo sufre perturbaciones debidas a la dispersión del medio; también interacciona con otras fuentes luminosas y, en especial con el sol. El sol emite radiación en todo el espectro electromagnético por lo que, en el caso en que un haz de luz solar siga la misma dirección de un haz láser modulado, las energías de ambos se suman en el detector. Esta suma se corresponde con una componente de energía continua debida fundamentalmente al sol y otra modulada por el láser que se traducen, tras la conversión electro-óptica, en una componente de corriente continua y otra componente de corriente alternada. Para eliminar la posible influencia de la luz solar en el circuito demodulador, hay que recurrir a soluciones electrónicas de compensación que separen ambas componentes. La corriente alternada detectada en su valor RMS nos da la potencia media de la señal modulada recibida.

Un fotodiodo de avalancha de silicio posee una amplia respuesta espectral pudiendo ser fabricado con máximos espectrales en el rango visible e infrarrojo. Si se usa un haz láser de luz monocromática, es conveniente sintonizar el máximo espectral con la longitud de onda transmitida y usar filtros ópticos pasa banda que eliminen las componentes luminosas perturbadoras de otras frecuencias a las que sigue siendo sensible el fotodiodo.

La sensibilidad de un fotodiodo de avalancha es fuertemente dependiente de la temperatura. El factor de multiplicación por avalancha se ve afectado por los cambios térmicos por lo que es conveniente mantener al fotodiodo a una temperatura estable si queremos que su sensibilidad no cambie. También puede cambiarse el factor de multiplicación para diferentes temperaturas pero con el consiguiente cambio térmico y la aparición de procesos de envejecimiento. La estabilidad en la señal de salida también implica el uso de amplificadores conformadores de onda basados en la comparación por umbral. Si los niveles de la señal detectada no superan un umbral, la señal no es aceptada para su procesamiento.

Analíticamente, la fotocorriente Ir que circula por un fotodiodo de avalancha cuando sobre él incide luz es la corriente que se añade a la corriente denominada

'oscura' o corriente que circula por el fotodiodo cuando sobre él no incide luz. La corriente oscura lo de un fotodiodo de avalancha se debe a dos mecanismos físicos: una corriente de fuga superficial Iz, y otra que ocurre en la región de avalancha lA que se ve afectada por la tensión de polarización: lo = II +M ·IA (1 ) siendo M el factor de multiplicación por avalancha.

La corriente oscura en un fotodiodo de avalancha pone límite al nivel de fotocorriente detectable. Los fotodiodos actuales poseen corrientes oscuras por debajo de los 100 picoamperios con factores M = 100 o mayores. Lo que significa que los límites de detección de estos dispositivos se encuentran en algunos picowatios de potencia luminosa detectable. El ruido 'shot' 15 de un fotodiodo de avalancha es superior al de un fotodiodo convencional debido a los mecanismos de avalancha:

(2)

donde q es la carga del electrón, Wel ancho de banda y F el denominado 'factor de ruido en exceso' que, en primera aproximación puede expresarse en función del factor de multiplicación por avalancha:

(3)

donde x es un exponente menor que la unidad. Puesto que la fotocorriente Ir se incrementa con el factor de multiplicación M, es de esperar que exista un M óptimo. Existirá también una relación señal/ruido óptima para un factor de multiplicación dado. La relación señal/ruido de un fotodiodo de avalancha viene dada por:

(4)

donde el primer y segundo miembro del denominador se corresponde con el ruido 'shot' y el tercero con el ruido térmico, siendo k la constante de Boltzman, T la temperatura absoluta y R¡ el valor de la resistencia de carga por la que circula la corriente del fotodiodo. Se puede demostrar con relativa facilidad que el factor de multiplicación por avalancha óptimo Móptimo se obtiene maximizando la expresión (4)

siendo éste:

(5)

en donde se ha despreciado el término asociado a la corriente de fugas li por no ser relevante. Por otro lado, el mantenimiento de los niveles de ruido externo dentro de límite razonables y para evitar la aparición de espigas y transitorios de conmutación a través de la alimentación, es conveniente utilizar esquemas de prerregulación y reguladores de bajo ruido dedicados a elementos funcionales específicos. En esta invención se aborda y resuelve el problema técnico de todo el conjunto de variables que afectan a la estabilidad en la sensibilidad de un fotodiodo de avalancha cuando este recibe luz láser modulada contaminada por una componente solar. En concreto se resuelven los siguientes problemas:

1. La posibilidad de fijar la sensibilidad y la ganancia del fotodiodo de avalancha para trabajar en rangos de luminosidad recibida de al menos cinco décadas partiendo de los nanovatios.

2. La posibilidad de eliminar componentes luminosas no moduladas, en especial la componente solar.

3. Para una potencia radiante recibida, fijar la sensibilidad y la ganancia manteniéndolas estables frente a cambios térmicos.

4. La posibilidad de cambiar la sensibilidad en función de la potencia radiante recibida con el fin de optimizar la relación señal/ruido.

5. Realizar estas tareas de forma automática bajo el control de un microcontrolador.

Descripción de la invención En esta invención se presenta un aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido. El aparato receptor recibe luz láser modulada en formato binario focalizada en la superficie activa de un fotodiodo de avalancha a partir de un sistema óptico formado por una lente convergente y una lente hemisférica que recogen la luz...

1. Aparato receptor láser basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido, para la recepción de haces láser modulados en formato binario, con un fotodiodo de avalancha (2) y un microcontrolador (48) , caracterizado porque el fotodiodo de avalancha (2) se encuentra sometido a tres lazos de control regulados por el microcontrolador (48) :

- un lazo de control térmico encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (48) , la temperatura del fotodiodo de avalancha (2) , comprendiendo dicho lazo de control térmico un termorregulador (56) con medios sensores de temperatura (20) conectados al microcontrolador (48) y un circuito de control del termorregulador (50, 51, 52, 53) controlado por el microcontrolador (48) ;

- un lazo de control de sensibilidad del fotodiodo encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (48) , la fotosensibilidad del fotodiodo de avalancha (2) , comprendiendo dicho lazo de control de sensibilidad del fotodiodo medios sensores de la corriente de polarización del fotodiodo (2) conectados al microcontrolador (48) y un generador de alta tensión (28) , controlado por el microcontrolador (48) , para polarizar el fotodiodo de avalancha;

- un lazo de control de ganancia RMS encargado de controlar la ganancia y mantener la estabilidad de la señal proveniente del fotodiodo de avalancha (2) que alimenta una etapa de salida (38, 5, 5') , comprendiendo dicho lazo de control de ganancia RMS un amplificador de ganancia programable (37) , controlado por el microcontrolador, que alimenta la etapa de salida (38, 5, 5') y un detector de valor cuadrático medio RMS (36) conectado al microcontrolador (48) para la estimación de la potencia media de dicha señal que alimenta la etapa de salida (38, 5, 5') .

2. Aparato receptor láser según la reivindicación 1, que comprende un amplificador a transimpedancia diferencial (33) con un circuito autocero (34) , encargado de transformar la corriente del fotodiodo de avalancha en tensión, eliminando la componente de corriente continua.

3. Aparato receptor láser según la reivindicación 2, que comprende un driver (35) encargado de recibir la señal de salida simple del amplificador a transimpedancia diferencial (33) y transformarla a salida diferencial que alimenta el amplificador de ganancia programable (37) .

4. Aparato receptor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios sensores de la corriente de polarización del fotodiodo (2) comprenden un amplificador logarítmico (29) y un filtro paso bajo (30) conectado al microcontrolador.

5. Aparato receptor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el termorregulador (56) es de flujo simétrico basado en celdas peltier, estando el circuito de control del termorregulador (50, 51, 52, 53) configurado para permitir el cambio del sentido de la corriente en las celdas peltier del termorregulador (56) .

6. Aparato receptor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de salida diferencial (38, 5-5') formada por un conformador de pulsos, adaptador de nivel y adaptador de impedancias.

7. Aparato receptor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos conversores DAC (40, 42) bajo el control de un microcontrolador (48) que permiten, respectivamente, la programación de la alta tensión aplicada al circuito de polarización del fotodiodo de avalancha (2) y la programación de la ganancia en tensión del amplificador de ganancia programable (37) .

8. Aparato receptor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un circuito de prerregulación (13, 13') previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido dedicadas ad-hoc a elementos funcionales específicos (27;32, 39;41, 47;43, 44;45, 46) del aparato receptor (1) .

10 ~ 13, 13'

.. , 27 40

1~ 47, 41

2 ..

~-.t

29 32, 39 49

- 1 20 ]f I

• + t

6, 7, 8, 9

33 -r+ 35 30 ~

34 14, 15, 18

~ f + + 48 ~ 16 .

I

DAC2 22

37 +-+

43, 44 42 19

20' , '-

-

36 J

~

t

f

50, 51, 52, 53 45, 46 -+

38, 5, 5' 39, 32

, Fig.2A

Fig.3A

""".

Fig.3B